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磁悬浮之电磁技术

发布时间:2024-05-07

磁悬浮就是用磁力克服重力让物体悬空,但真正做起来并不容易,主要原因是没有稳定的平衡点。要达到悬浮,必须是稳定的悬浮。也就是说,用一个力(或位移)在任何方向上(上下左右前后等)来(小)扰动被悬浮物,都会有一个恢复力,使得外力撤消后重新恢复平衡。

磁悬浮可以分成有源的和无源的两大类,前者比如反馈式的,用光电、磁电等手段检测到被悬浮物体偏离正常悬浮点后,通过调节电磁铁的电流来使得物体保持在悬浮点附近,因此需要用电。这样的悬浮从道理上看,与开直升飞机悬停没什么区别。

磁悬浮

无源悬浮又分为超导悬浮和普通磁悬浮两类,前者是靠超导体的完全抗磁性来达到的,超导体和磁体之间就像安装了弹簧一样。简单说就是任何磁铁在超导体附近的移动都会在超导体表面产生电流,而这个感生电流所产生的磁场阻碍磁铁的运动,因此磁铁就与超导体相对静止。

普通磁悬浮又可分成两类,排斥悬浮和吸引悬浮。排斥悬浮有成品可买到,就是所谓的陀螺悬浮。其原理是用五块大磁铁(比如四角四块N极向上、中间一块S极向上)在悬浮空间上方产生一个磁场谷(对N极向下的悬浮磁铁周围排斥力强但中间弱),那么只要被悬浮磁铁的极性得到保持,就可以成功悬浮。但处于自由状态的磁铁会上下反转,把排斥力变成吸引力,结果悬浮就失败。解决这一问题的办法就是把悬浮磁铁做成陀螺,保证在运转期间极性不反转,这样才能悬浮起来。悬浮需要技巧,陀螺的重量要通过垫片调整到误差在0.1g之内才能悬浮,而且要求底座很平。

以上悬浮要么需要能量,要么需要不会持久保持的条件(超导的低温、陀螺的旋转),因此都不是永久悬浮方案。

最后一种,就是吸引悬浮。但吸引悬浮中,两块磁铁的吸引力基本上是与距离的平方成反比的,尽管吸力与重力有一个平衡点,但为非稳定平衡。为了解决这一问题,需要用反磁性物质制造一个局部的稳定空间。

我们做一个测试实例:

1、测试时道具可采用铋粒,纯度较低也可以。

2、用不锈钢勺子在煤气灶上熔化铋(铋的熔点不算高,500多度C),用易拉罐的底做模具,做了两块铋锭。

3、相对钻上6个小孔,用三根适当长度的铜丝把两块铋锭架起来,中间留有空隙。把稀土磁铁放到中间。

4、在上面适当位置放上大磁铁,结果小磁铁悬浮了起来。这个悬浮自然是稳定的,前后左右偏离达10mm,仍然可以复原。上下位置,由于有金属的限位自然跑不掉,但会自动居中。

磁悬浮

工作原理

所谓(正)磁性,就是类似铁这样的物质,会被磁铁的N极或S极所吸引,而且基本上力的大小与距离的平方成反比。

所谓反磁性/逆磁性,会被磁铁排斥,或者说无论磁铁的N极或S极接近反磁性物质,都会产生排斥力,而且力的大小也基本上与距离的平方成反比。

铋是具备最强的反磁性的金属。当然,这个反磁性的大小还是比较弱的,甚至正常情况下很难观察到。我刚才用电子分析天平测量了一下,某稀土小磁铁在距离铋块0.5mm的位置上,排斥力只有0.05克力。而司样的磁铁距离铁块0.5mm的场合下有500g的吸引力,因此铋的反磁性的大小只有铁的正磁性的万分之因此这个装置也需要精心的设计和调整才能达到悬浮。首先,磁铁的重力是靠上面的一块上下极性相反的大磁铁来平衡的。其次,由于这个磁铁选的比较大,因此可以在距离比较远的情况下,其吸引力就可以与小磁铁的重力相等(平衡点)。而由于距离比较远,因此可以在小磁铁周围一个小范围内建立比较均匀的磁场,也就是说,当小磁铁上下少量移动时,吸引力的变化不至于过大。第三,由于两块铋板的引入,使得小磁铁在靠近铋的时候排斥力很快增大,无论是向上靠近还是向下靠近(因为排斥力也基本上与距离的平方成反比),而这种排斥力随距离的变化大于上下磁铁之间吸引力的变化。因此,中间就成为一个稳定的平衡点。也可以这样来理解:由于铋的反磁性,如果在失重状态下把磁铁装到用铋做的空心盒里,那么磁铁将保持在中心。最后,当小磁铁在水平方向上偏离中心位置后,由于上边磁铁吸引力的“悬挂”效应(类似单摆),会产生一个水平的向心分力,使得小磁体复原。这也是吸引悬浮的优势所在。

磁悬浮地球仪利用电流磁效应使地球仪漂浮在半空中。地球仪顶端有一个磁铁,圆环形塑胶框内部顶端有一个金属线圈,金属线圈通过电流就会成为电磁铁。电磁铁与地球仪顶端磁铁间的吸引力可抵消地球仪所受重力,因此地球仪可漂浮在半空中。用手轻轻触碰地球仪使其偏离平衡位置,手移开后地球仪仍可回到平衡位置不至掉落,这是利用负反馈机制。

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